滑移和孪生范性形变孟彬

1、2020/7/11,1,第3章 晶体的范性形变,昆明理工大学 材料科学与工程学院 / 材料学系 孟 彬,晶体,单晶体,多晶体,单晶体的范性形变,多晶体的范性形变,材料科学基础/Fundamentals of Materials Science,Chapter 3 Plastic deformation of crystals,2020/7/11,2,讲授提纲,3.1 概述 3.2 滑移、滑移系和Schmid定律 3.3 孪生 3.4 多晶体的范性变形 3.5 范性形变对材料组织及性能的影响 3.6 材料的断裂,2020/7/11,3,3.1 范性形变概述,1. 弹性变形,2. 塑性变形,一.

2、基本概念,延伸率：=(l-l0)/l0 断面收缩率:=(A0-Af)/A0,低碳钢的拉伸应力应变曲线,3. 断裂,2020/7/11,4,3.1 范性形变概述,1. 弹性变形,2. 塑性变形,一. 基本概念,退火纯铜的拉伸曲线,延伸率 断面收缩率,3. 断裂,2020/7/11,5,3.1 范性形变概述,一. 基本概念,金属材料和陶瓷材料的应力-应变曲线差异,2020/7/11,6,3.1 范性形变概述,二. 单晶体范性变形的基本形式,虽然从宏观上看，固体范性变形的方式很多，但从微观角度，单晶体 范性变形的基本方式只有两种：,1. 滑移:,2. 孪生:,2020/7/11,7,3.2 滑移、滑

3、移系和Schmid定律,在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。,1. 定义：,一. 滑移,2. 滑移系：上述滑移面和位于滑移面上的滑移方向便组成滑移系，用hkl表示；,2020/7/11,8,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,3. 滑移的表象：滑移线和滑移带,滑移带和滑移线示意图,一. 滑移,光镜下：滑移带 电境下：滑移线,2020/7/11,9,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,二. 滑移系,2.滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行，因此 滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为

4、该面上的密排方向。,想想这是为什么？,1.一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。,三种典型金属晶格的滑移系,2020/7/11,10,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,5. 滑移系首先取决于晶体结构，也和温度、合金元素等因素有关。,二. 滑移系,4. 在其他条件相同时，晶体中的滑移系愈多，滑移过程可能采取的空间取向便愈多，滑移容易进行，它的塑性便愈好。,3. 滑移的分类：,多滑移：在多个（2）滑移系上同时或交替进行的滑移。 双滑移： 单滑移：,2020/7/11,11,式中：,1. 决定晶体能否开始滑移的关键在于作用于滑移面上的切应力是否达到临界值；,假设有一正断面为A0的单晶试

5、棒进行拉伸试验，假定拉力F 和滑移面法线n 的夹角为 ，F 和滑移方向b 的夹角为，则有作用在滑移面上沿滑移方向的分切应力为：,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,三. Schmid定律,单晶试棒的单向拉伸,为拉伸应力,称为取向因子或Schmid因子,2020/7/11,12,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,三. Schmid定律,之后，Schmid采用同种材料但不同取向（不同值）的单晶体试棒进行拉伸，结果发现，尽管不同试棒的 值不同，但开始滑移时的分切应力都相同，等于某一确定值c ，即：,称为临界分切应力，它是个材料常数。,上式即为Schmid定律，它可以表述为：当作用在滑移面上

6、沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体开始滑移。,其中：,2020/7/11,13,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,三. Schmid定律,Schmid的实验结果,2020/7/11,14,三. Schmid定律,特殊方向上的实际切应力,2020/7/11,15,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,三. Schmid定律,根据取向因子的大小，滑移方向可分为：软位向和硬位向；,在加载过程中首先发生滑移的必然为取向因子大的滑移系，如果有两个或多个滑移系具有相同的取向因子，则它们都时开动，称为多滑移，否则叫单滑移；,2020/7/11,16,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,

7、四. 滑移过程中晶体的转动,晶体在拉伸过程中的转动示意图,(a)拉伸前示意图； (b)自由滑移过程的变形； (c)受夹头限制时的变形；,2020/7/11,17,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,四. 滑移过程晶体的转动机制,几何软化现象： 在单晶体拉伸试验初期，由于晶体位向的不断变化，拉应力F会随着变形量的增加而减小，称为几何软化现象；,2020/7/11,18,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,五. 滑移的位错机制,理想单晶体滑移变形示意图,实际单晶体滑移变形示意图,未变形 弹性变形 弹塑性变形 塑性变形,2020/7/11,19,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,五.

8、滑移的位错机制,2020/7/11,20,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,五. 滑移的位错机制,2020/7/11,21,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,五. 滑移的位错机制,2020/7/11,22,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,五. 滑移的位错机制,2020/7/11,23,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,2020/7/11,24,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,五. 滑移过程的次生现象,晶面弯曲 由于局部区域的微观缺陷、杂质等的阻碍作用，滑移面发生弯曲。 形变带 由于局部区域存在杂质和各种缺陷，这些区域的转动就受到阻碍，其转角小于远离杂质和缺陷的

9、区域。转角不同的区域就有位向差，因而在显微镜下存在反差(衬度)。 弯折带 沿六方系金属(锌或镉)单晶在C轴压缩时会发生扭折现象。此时滑移和转动仅发生在个狭窄的带状区域，这个带状区域就叫扭折带，如图所示。扭折带也可以看成是一种特殊的形变带转动都集中在带内，带外各部分既不滑移，也不转动。,2020/7/11,25,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,六. 单晶体的硬化曲线,在滑移过程中由于晶体内部结构(主要是位错的密度、分布和性质等)的变化，继续维持滑移所需的切应力(也称为流变应力)随切应变而不断增加的现象；,1.物理硬化,描述单晶体硬化行为的曲线就是硬化曲线。通常用晶体在拉伸时的切应力切应变

10、曲线或示出。,2.物理硬化,2020/7/11,26,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,六. 单晶体的硬化曲线,FCC晶体的硬化曲线,a).硬化量：h，其值为流变应力与临界分切应力c的差值，即h=-c。,3.表示单晶体硬化的量,b).硬化率：d/d；,4.硬化曲线的3阶段,第一阶段是易滑移阶段，d/d非常小； 第二阶段是线性硬化阶段，d/d为一恒定的最大值； 第三阶段是抛物线硬化阶段，d/d随着增加而减小。,2020/7/11,27,3.2 滑移、滑移系和Schmid定律,六. 单晶体的硬化曲线,a).硬化曲线各阶段的范围和斜率随金属而异。即使是同一材料，硬化曲线也和晶体的位向有关，此外

11、，硬化曲线也和温度、合金元素等因素有关(温度升高，硬化曲线斜率减小、合金元素的加入往往可以增加硬化率)。 b).在不同阶段，样品表面形貌也不同。在第一阶段，样品表面只有一些均匀分布的细小滑移线。在第二阶段则在均匀细滑移线的背景上出现不均匀分布的粗滑移带。在第三阶段出现交叉滑移带，它是交滑移的结果，因为交滑移使应力松弛，因而硬化率下降。,5.硬化的机理,2020/7/11,28,3.3 孪生,1.定义：在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程称孪生。,面心立方晶体的孪生过程示意图,2020/7/11,29,3.3 孪生,面心立方晶体的孪生过

12、程示意图,发生切变的晶体部分称为孪晶； 均匀切变区与未切变区的分界面（即两者的镜面对称面）称为孪晶界； 发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面（即（111）面）； 孪生面的移动方向称为孪生方向。 孪生面：切变前后形状和尺寸均未发生变化的切变区和未切变区之间的界面。 切变区域内，与孪生面平行的各层晶面的相对位移是一定的。,2020/7/11,30,3.3 孪生,2.,bcc: 112 fcc: 111 hcp: 1,0,-1,2 ,2020/7/11,31,3.3 孪生,3.孪生的结构特点,2020/7/11,32,3.3 孪生,2020/7/11,33,3.3 孪生,4.伴有孪生过程的应力应变曲线,

13、铜单晶体在4.2K的拉伸曲线,2020/7/11,34,6.,5.,2020/7/11,35,7. 孪生与滑移的比较,(1) 相同点,从宏观上：两者都是晶体在切应力作用下发生的均匀剪切变形； 从微观上：两者都是晶体范性变形的基本形式，是晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向平移； 两者都不改变晶体结构； 从变形机制上，两者都是晶体中位错运动的结果；,2020/7/11,36,7. 孪生与滑移的比较,(2) 不同点,滑移不改变位向，而孪生则改变位向； 滑移时原子的位移是沿滑移方向的原子间距的整数倍，孪生时原子的位移小于原子间距； 滑移时切应变为任意值，孪生时切应变位一固定值，且一般很小； 从微观上看，孪生比滑移变形